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标题: 转贴 Parallel universes 什么是平行宇宙 [打印本页]

作者: dynasty200 时间: 2008-6-3 16:01 标题: 转贴 Parallel universes 什么是平行宇宙

平行宇宙（Multiverse、Parallel universes），或者叫多重宇宙论，指的是一种在物理学里尚未被证实的理论，根据这种理论，在我们的宇宙之外，很可能还存在着其他的宇宙，而这些宇宙是宇宙的可能状态的一种反应，这些宇宙可能其基本物理常数和我们所认知的宇宙相同，也可能不同。

平行宇宙经常被用以说明：一个事件不同的过程或一个不同的决定的后续发展是存在于不同的平行宇宙中的；这个理论也常被用于解释其他的一些诡论，像关于时间旅行的一些诡论，像“一颗球落入时光隧道，回到了过去撞上了自己因而使得自己无法进入时光隧道”，解决此诡论除了假设时间旅行是不可能的以外，另外也可以以平行宇宙做解释，根据平行宇宙理论的解释：这颗球撞上自己和没有撞上自己是两个不同的平行宇宙，如此云云等。

在近代这个理论已经激起了大量科学、哲学和神学的问题，而科幻小说亦喜欢将平行宇宙的概念用于其中。

物理学里的平行宇宙
平行宇宙的分类

在2003年的科学人杂志里，有一篇由美国宇宙学家Max Tegmark写的关于平行宇宙的专文，文中他将平行宇宙分成四类：

1. 第一类：这类的宇宙和我们宇宙的物理常数相同，但是粒子的排列法不同，同时这类的宇宙也可视为存在于已知的宇宙（可观测宇宙）之外的地方；
2. 第二类：这类的宇宙的物理定律大致和我们宇宙相同，但是基本物理常数不同；
3. 第三类（艾弗雷特（Hugh Everett III）的多世界诠释）：根据量子理论，一件事件发生之后可以产生不同的后果，而所有可能的后果都会形成一个宇宙，而此类宇宙可归属于第一类或第二类的平行宇宙，因为这类宇宙所遵守的基本物理定律依然和我们所认知的宇宙相同（以上“一颗球落入时光隧道，回到了过去撞上了自己因而使得自己无法进入时光隧道”诡论的平行宇宙解决办法属于此种）；
4. 第四类：这类的宇宙最基础的物理定律不同于我们宇宙，而基本上到第四类为止，就可以解释所有可能存在（也就是可想像得到的）的宇宙，一般而言这些宇宙的物理定律可以用M理论构造出来。

相关理论
无穷宇宙（开放宇宙）理论
开放宇宙理论认为，我们目前所知的宇宙只是整个宇宙中可观测的一小部份，在这个部份之外，整个宇宙尚有无限大的未被观测的空间；根据相对论，光速为宇宙最快的速度，我们所看到的部份（可观测宇宙）为已经到达地球的光线，而我们所观测到的范围又被称做哈伯体积，哈伯体积直接取决于宇宙的年龄（因为若宇宙诞生于n年前，则能到达地球的光线最远只能在n光年处，再更远的光线则尚在路途上，故未能被地球上的观测者所观测），哈伯体积的膨胀是因为有越来越远处的光线到达地球。

开放宇宙理论说明了第一类平行宇宙的可能性。

图：无穷宇宙，在宇宙中存在有大量的可观测区（有着红色十字中心的红圈），我们的“宇宙”不过是其中的一个可观测区而已
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泡沫宇宙理论
泡沫宇宙理论认为存在有无限多的开放宇宙，而这些开放宇宙本身有着不同的物理常数，这些开放宇宙的“距离”比我们的开放宇宙的“边缘”还要远，意即这些宇宙存在于无穷远的地方之外。

这个理论由安德烈·林德最早提议，而泡沫宇宙理论本身能和暴涨理论在相当程度上契合，而这个理论本身牵涉到了宇宙可能是由某个“亲宇宙”的量子泡沫，中所诞生的可能，而这些量子泡沫产生于能量的起伏，这些能量的起伏可能会产生微小的“泡沫”和虫洞，若这些“泡沫”本身不是非常地巨大，则它们会像膨胀的汽球一般，到了最后消失无踪，不过如果能量起伏大于某个常数，那么这个泡沫就会不断地膨胀，甚而产生一个“子宇宙”，而“子宇宙”的体积可能会大到足以让宇宙大尺度结构存在的地步。

图：“泡沫宇宙”示意图，宇宙1到宇宙6各自有自己的物理常数，我们的“宇宙”不过是其中的一个“泡沫”而已
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大反弹理论
根据循环量子引力理论，大霹雳可能只不过是宇宙的膨胀和收缩时期组成的周期中，一个新的膨胀时期的开始而已，每个周周期开始于大霹雳、结束于大挤压（Big Crunch），而这个周期的轮回是无限的，这个模型被称为是振荡宇宙，在大霹雳之后宇宙膨胀，而之后在重力的作用之下宇宙开始收缩，然后接着是大挤压，在大挤压之后的下一次大霹雳被称为大反弹，虽然这个模型曾经一度被否决，但是膜宇宙论近年来已重拾此模型（振荡宇宙模型）。

在每个周期中宇宙可能会有不同的宇宙常数，而因此这些不同周期时的宇宙可视为第二种平行宇宙。

泡沫宇宙理论和大反弹理论使得第二种平行宇宙的存在成为可能。

量子力学的多世界解释
量子力学的多世界解释是一种主要的量子力学解释，在由此解释方式中的众平行宇宙共有一个关于时间的变量，而这些平行宇宙彼此之间有着相同的起源，而这些宇宙彼此之间的基本物理定律相同，但物理常数可能会有所不同，而它们亦可能处于不同的状态，而且这些宇宙彼此之间没有任何的联系，因此它们彼此之间没有任何讯息互通，这些宇宙彼此之间的关系由它们之间的叠加态决定。

此理论为第三类平行宇宙的基础

M理论
M理论，是为“物理的终极理论”而提议的理论，希望能借由单一个理论来解释所有物质与能源的本质与交互关系，并且把自种作用力通一起来，其中包括电磁力、重力、强核力和弱核力。其结合了所有超弦理论（共五种）其中包括、和十一维的超引力理论。为了充分了解它，爱德华·威滕认为需要发明新的数学工具。再M理论里的“M”有许多意思，例如魔术(magic)、神秘(mystery)或膜(membrane)等等。
根据M理论，我们的宇宙很可能是产生于11维薄膜的碰撞当中，基本上由此产生的宇宙可以和量子力学的多世界解释里所说的宇宙极为不同的宇宙。

由M理论可推出第四种平行宇宙的存在。

弦论“地景”
弦理论是理论物理学上的一门学说。弦理论用一段段“能量弦线”作最基本单位以模拟世界上所有物质结构，大至星际银河，小至电子、质子及夸克一类的基本粒子都由这一维的“能量线”所组成。中文文献上，一般写作“弦”或“弦”。

较早时期所建立的粒子学说则是认为所有物质是由零维的“点”状粒子所组成，也是目前广为接受的物理模型，也很成功的解释和预测相当多的物理现象和问题，但是此理论所根据的“粒子模型”却遇到一些无法解释的问题。比较起来，“弦理论”的基础是“波动模型”，因此能够避开前一种理论所遇到的问题。更深的弦理论学说不只是描述“弦”状物体，还包含了点状、薄膜状物体，更高维度的空间，甚至平行宇宙。值得注意的是，弦理论目前尚未能做出可以实验验证的准确预测
弦理论的雏形是在1968年由Gabriele Veneziano发现。他原本是要找能描述原子核内的强作用力的数学函数，然后在一本老旧的数学书里找到了有200年之久的欧拉 Beta 函数（Euler Beta Function），这函数能够描述他所要求解的强作用力。不久后李奥纳特·苏士侃发现，这函数可理解为一小段类似橡皮筋那样可扭曲抖动的有弹性的“线段”.这在日后则发展成“弦理论”。

虽然弦理论最开始是要解出强作用力的作用模式，但是后来的研究则发现了所有的最基本粒子，包含正反夸克，正反电子，正反中微子等等，以及四种基本作用力“粒子”（强、弱作用力粒子，电磁力粒子，以及引力粒子），都是由一小段的不停抖动的能量弦线所构成，而各种粒子彼此之间的差异只是这弦线抖动的方式和形状的不同而已。

弦理论与超弦理论
另外，“弦理论”这一用词所指的原本包含了26维的玻色弦理论，和加入了超对称性的超弦理论。在近日的物理界，“弦理论” 一般是专指“超弦理论”，而为了方便区分，较早的“玻色弦理论”则以全名称呼。1990年代，受弦对偶的启发，爱德华·维顿猜想存在一11维的M理论，他和其他学者找到强力的证据，显示五种不同版本的十维超弦理论与十一维超重力论其实应该是M理论的六个不同极限。这些发现带动了第二次超弦理论革新。

弦理论与大一统理论
弦理论会吸引这么多注意，大部分的原因是因为它很有可能会成为大一统理论。弦理论也可能是量子引力的解决方案之一。除了重力之外，它很自然的成功描述了各式作用力，包含了电磁力和其他自然界存在的各种作用力。超弦理论还包含了组成物质的基本粒子之一的费米子。至于弦理论能不能成功的解释基于目前物理界已知的所有作用力和物质所组成的宇宙，这还是未知数。至今研究员仍未能找到一个弦论模型，其低能极限为标准模型。

D-膜是开弦能终结的地方。 D-膜是时空之一子流形，开弦的终点在其上遵守 Dirichlet 边界条件，故称“D膜”。研究员称 D膜的动力学为“矩阵理论”（en:M-theory#Matrix theory)，是为“M”字之一来源。

在未获实验证实之前，弦理论是属于哲学的范畴，不能完全算是物理学。无法获得实验证明的原因之一是目前尚没有人对弦理论有足够的了解而做出正确的预测，另一个则是目前的高速粒子加速器还不够强大。

科学家们使用目前的和正在筹备中的新一代的高速粒子加速器试图寻找超弦理论里主要的超对称性学说所预测的超粒子。但是就算是超粒子真的找到了，这仍不能算是可以证实弦理论的强力证据，因为那也只是找到一个本来就存在于这个宇宙的粒子而已，不过这至少表示研究方向是正确的。

根据IIB型（Type IIB）的弦论，从十维弦论的世界到我们所知的四维世界有极多种的变换方式，而不同的变换方式会产生相当不同的宇宙。
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问题与批评

* 有些人认为平行宇宙理论缺乏对经验主义的关联性以及可测性，同时缺乏物理学上的证据和可否定性，因为这个理论以目前的科学方法无法证实或否定，而且这些理论目前而言太过形而上学且只是在数学结构上有可能而已；不过Max Tegmark注意到了对宇宙微波背景辐射和宇宙物质大规模分布的测量的改进可能会否定或实证其中两种的平行宇宙存在的可能性，并进而能证实或否定开放宇宙理论和混乱暴涨理论，意即平行宇宙理论最少在某种程度上是可测的。

* 一些人认为科学家的职责就是要在不涉及观察者的状况下对已观测的现象提出基本的解释。回归到人择原理在解释会建构出所谓的“懒惰出口”，而这些解释的种类包括了“很明显地为生命的存在微调过的宇宙参数”等等；不过李奥纳特·苏士侃宣称：某些形式的平行宇宙是无可避免的，在给出对现有宇宙状态的解释时，观测者效应是无法避免的而且得在其他的科学中获得解决。

* 一些人认为，平行宇宙理论会被奥卡姆剃刀给排除，因为假设一些我们无法观测且无法看见的宇宙来解决我们所看见的，就像是带着额外的行李走到尽头一般；不过对此Max Tegmark答曰：“这四种平行宇宙的一个共同特征就是：默认平行宇宙的存在模型是最简单且最优雅的模型。如果一个人要否决这些多重宇宙的存在，他需要在实验上地对多重宇宙论的不支持，并且要加入以下的假定：有限空间、波函数崩溃和本体上的不对称是正确的，而这些过程会复杂化整个理论。因此我们的对于谁比较不优雅且较为浪费的裁决就变成了以下两者：多重宇宙或者是大量的文辞”。

* 有时有些人认为我们的宇宙是唯一可能存在的宇宙，因此讨论这些“其他的宇宙”是很明显地无意义的。爱因斯坦在思考其他种类的宇宙存在的可能性时，就提出了这个问题，关于宇宙结构是否只有一种可能的问题的解答的希望被认为在于理论上可统一全部物理理论的万物理论当中。

* 对于平行宇宙的观测证据的支援被认为来自于人择原理：“我们所观测到的宇宙对生命是友善的，要不然就不会被观测到。虽然这似乎是老调重弹，但是当生物体对物理法则和宇宙状况的敏感性、被考虑时，整个宇宙就是一个明显的证据；在另一方面，许多关键的物理常数似乎不会对于生物体造成严重的不适”；其他对于微调论证的批评是：就我们所知，在我们所知的物理常数之下可能还有更多的基本物理法则，而这些法则背后可能会有更多的参数存在，因此，给出这些定律，这些已知的物理常数未必落在生命许可的生存范围之内。

* 多重宇宙支持者经常对于常数如何从已定义的整体中选取感到茫然。假设存在个“定律中的定律”或者基本定律描述说常数如果被从一个宇宙到下一个宇宙中指定，那么我们不过只是将宇宙学的问题给往上移了一个等级而已，因为我们必须解释这个基本定律从何而来。另外，这个基本法则是无穷大的，因此我不过是把问题从“为什么是这个宇宙”给置换成了“为什么是这个基本法则”。在援引平行宇宙论时这似乎是一个要点，尤其当假定只存在一个宇宙和一个原理会更简易时更是如此；但在Max Tegmark的平行宇宙理论里，这个问题是被避开的，因为在那种状况当中，所有可能的基本理论被实行的，而且被用以描述真实存在的平行宇宙。

* 对于虚拟宇宙和平行宇宙之间的关系依旧是个问题。多数的科学家已经准备好要接受自觉机器的可能性，而有些人工智能学者甚至于已经说我们快要能制造自觉电脑了，在距离达让自觉生物住在虚拟世界方面仅剩一步之遥。对于那些生物而言，他们的“假”宇宙和我们的真宇宙可说是无分别的。因此我们应该将这些虚拟宇宙在平行宇宙算在平行宇宙中吗？如果不是的话将我们自身存在的宇宙和这些虚拟宇宙划上等号有意义吗？

* 对于现有的平行宇宙论的最后一个问题是对于宇宙的定义。对多数的平行宇宙论者而言，宇宙是由物理法则和常数，以及初始条件定义的。这项论点可能会因为它的狭隘和沙文主义的性质而招致反对；对于将人类理解之外的事物予以分类也可能会招致批评。

作者: starrain 时间: 2008-6-4 13:42

很系统的平行宇宙论介绍啊！

牵涉到M理论和弦论正好在其他帖里有展开~

作者: skybers 时间: 2008-6-8 15:13

LZ的天文知识好强啊

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